3G基礎知識及3G/視頻產(chǎn)品應用
2005/03/24
3G是什么?
3G是"3rd Generation"（第三代）的縮寫，即第三代移動通信系統(tǒng)（IMT-2000），它是高速移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信領域的行業(yè)術語。縱觀移動通訊系統(tǒng)的發(fā)展歷史，模擬移動手機被稱作"第一代"；數(shù)字移動手機被列入"第二代"；而其后的發(fā)展技術被稱作"第三代"。當前全球還存在多種第一代和第二代通訊系統(tǒng)，它們成為全球范圍內(nèi)普及單一通訊終端設備的一個阻力。另外，3G技術面臨的最大挑戰(zhàn)是系統(tǒng)的標準化，如何能夠支持單一通訊終端設備可以在全球范圍內(nèi)得到通用。3G技術的設計基礎是支持全系列的移動多媒體系統(tǒng)，其對多種數(shù)據(jù)速率提供靈活的支持，不僅可以傳送語音數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)需要傳送視頻數(shù)據(jù)。使用3G網(wǎng)絡，我們可以傳輸需要高帶寬的應用數(shù)據(jù)，例如：它可以隨時隨地根據(jù)需要提供全視頻、視頻會議、高質量語音和Web數(shù)據(jù)服務。
在日本，目前存在兩種3G系統(tǒng)：NTT DoCoMo公司和Vodafone公司使用的是W-CDMA；而au公司使用的是CDMA2000
1x。
3G-324M協(xié)議
第三代移動通信系統(tǒng)IMT-2000的技術標準由ITU-R和ITU-T組織制定。ITU-R和ITU-T組織接受和評估各個國家和地區(qū)標準組織提交的建議（草案標準）。參與制定草案標準的主要標準組織包括：ARIB組織（Association
of Radio Industries and Businesses）、日本TTC組織（Telecommunication Technology
Committee）、歐洲ETSI組織、美國T1組織和韓國TTA組織。3GPP項目小組（Third Generation Partnership
Project）就是由上述標準組織參與組成的，目標是制定全球性應用草案標準。3G-324M（*1）是3GPP組織制定的框架性標準，其制定基礎是ITU-T
H.324/M和其它國際標準，它可以在無線電路交換網(wǎng)絡支持實時多媒體服務應用。該標準包含的幾個子協(xié)議標準是：語音、視頻、用戶數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的多路復用和分離（H.223）；in-band呼叫控制(H.245)。它定義的功能組件和端到端通信程序用于支持可視化音頻通訊應用。
（*1） 3G-324M: H.323是ITU-T組織針對基于互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)的通訊系統(tǒng)和終端設備制定的協(xié)議標準。而SIP是由IETF組織制定的著名的多媒體通訊協(xié)議標準。通訊網(wǎng)絡需要協(xié)議標準支持，通過網(wǎng)關實現(xiàn)與SIP協(xié)議和H.323系統(tǒng)的互連，其中專門針對移動通訊的協(xié)議標準是H.324/M。3G-324M標準是H.324/M的進一步發(fā)展，它用來支持IMT-2000。
3G-324M標準在技術上與H.324/M非常相似，但是它指定H.263作為強制基本標準，而把MPEG-4作為視頻編碼推薦標準。AMR是音頻編碼強制標準。H.223制定了多路音頻和視頻信號在單個移動通訊信道的多路復用應用標準，H.245制定了在各個階段的消息控制交換標準。但是，在易出錯網(wǎng)絡的高效傳輸方法在3G-324M標準中制定。另外，level
2（由H.223附錄B制定）被制定為強制的多路復用協(xié)議層，它可以提供增強的容錯控制。
3G-324M標準的協(xié)議配置細節(jié)如下所示。
3G-324M媒體編碼集
3G-324M為視頻、音頻和數(shù)據(jù)等媒體類型定義了強制性的媒體編碼標準。
(1)視頻編碼
3G-324M指定H.263為強制性基準協(xié)議（附錄中的擴展標準除外），而把MPEG-4制定為推薦視頻編碼標準。H.263作為老的編碼標準仍然應用于現(xiàn)有的H.323系統(tǒng)，因而保留它可以提供系統(tǒng)兼容性。MPEG-4比H.263基準協(xié)議擁有更高的靈活性，它提供了更先進的錯誤檢測和糾錯方法。
這兩種編碼集一般均采用QCIF（Quarter Common Intermediate Format）輸入圖象格式。MPEG-4采用一系列工具集提高了容錯性。它采用的方法包括：數(shù)據(jù)分區(qū)、可反置變長編碼（RVLC，Reversible
Variable Length Codes）、再同步標識和HEC（header extension codes）。
數(shù)據(jù)分區(qū)方法通過標識符分別提供離散余弦 (DCT) 系數(shù)和移動矢量參數(shù)，這樣可以避免某組數(shù)據(jù)的出錯影響到另外一組數(shù)據(jù)的解碼。例如，如果在某個給定的宏塊中檢測到DCT系數(shù)錯誤，我們?nèi)匀豢梢噪[藏DCT系數(shù)錯誤，采用正確的移動矢量信息重新創(chuàng)建宏塊。這樣，與解碼過程中采用前面相鄰數(shù)據(jù)幀的正確宏塊替換出錯宏塊的方法相比，該方法可以提供更高的視頻圖象解碼質量。
RVLC方法允許對特定的數(shù)據(jù)塊從前端（前向）或者末端（反向）開始解碼。這種方法提高了對出錯數(shù)據(jù)集的修復機率。
再同步標識符是插入比特流中的一些代碼，它可以幫助解碼器對解碼進程進行重新同步。
HEC支持更高效的解碼進程再同步，其擴展的再同步標識符還包含了時間信息。
(2)語音編碼
ITU-T標準對語音編碼沒有強制性要求，只有IMT-2000語音服務應用強制性要求AMR編碼（Adaptive Multi-Rate），用于支持3G-324M設備。G.723.1是3GPP推薦的可選老編碼標準，它可以提供兼容H.323等標準。
AMR語音編碼的最高處理速率是12.2 kbps，取決于不同的基站距離、信號干擾和流量情況，AMR的實際傳輸速率范圍是4.75 kbps
~ 12.2 kbps。AMR還支持柔化噪音生成（CNG，Comfort Noise Generation）和非連續(xù)傳輸模式（DTX，Discontinuous
Transmission）。它還可以根據(jù)不同的實際情況動態(tài)調(diào)整處理速率和錯誤控制，在當前的信道環(huán)境下提供最佳的語音質量。
AMR編碼還支持非對等錯誤檢測和預防（UED/UEP，Unequal Error Detection and Protection）。這種方法基于可判斷的數(shù)據(jù)相關性對比特流進行分類，如果在最相關的數(shù)據(jù)中檢測到錯誤，就可以對AMR數(shù)據(jù)幀直接進行解碼，并隱藏數(shù)據(jù)錯誤。
(3) 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議
T.120是數(shù)據(jù)會議應用推薦的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。但是，當前還沒有制定任何強制性協(xié)議，因而它也只是一種可選標準。
H.245呼叫控制
H.245是面向H.324、 H.310、H.323和V.75而定義的通用呼叫控制標準。與其它ITU-T推薦標準兩年一修訂的程序不同，H.245需要根據(jù)需求隨時對其進行修訂，這主要是因為它應用于相當多種類的系統(tǒng)中，我們需要快速對其功能實現(xiàn)增強以滿足其高速發(fā)展的需要。
H.245采用簡單再傳輸協(xié)議（SRP，Simple Retransmission Protocol），或者采用可編號選項的SRP協(xié)議（NSRP，Numbered
SRP）。H.245制定了一個控制信道分段和重新裝配的協(xié)議層（CCSRL，Control Channel Segmentation and
Reassembly Layer），它可以在易出錯環(huán)境下保證應用的可靠性。SRP、NSRP和CCSRL的使用由協(xié)商層確定。H.245采用ASN.1（Abstract
Syntax Notation 1）標準定義自己的消息結構。另外，消息數(shù)據(jù)基于PER（Packed Encoding Rule）規(guī)則采用二進制編碼。
在通話雙方啟動H.245會話之前，一個必須解決的問題是：如果端點設備之間出現(xiàn)協(xié)議沖突，究竟由哪個端點設備負責解決，或充當主角。不同的端點設備在H.223信號多路復用/信號分離、視頻和音頻編碼、數(shù)據(jù)共享和其它功能領域可能存在著不同的差異。H.245提供了一種功能交換的功能，它支持兩端設備通過協(xié)商確定一組通用的功能集。
媒體和數(shù)據(jù)流采用邏輯信道的方式進行傳輸，需要提供相應的控制支持。H.245采用邏輯信道信令，支持邏輯信道的開關和參數(shù)交換。在H.245標準中，發(fā)送方根據(jù)接收方廣播的可支持功能集，確定雙方通訊的編碼集和參數(shù)。如果接收方有指定的功能需求，它可以采用模式請求的方式向傳送方發(fā)送請求信號。
最后，H.245采用一組呼叫控制命令和提示符，提供數(shù)據(jù)流量控制、用戶輸入提示、視頻編碼控制、信號抖動和失真提示。
*H.245的用戶提示符（UII，User Input Indication）在需要用戶交互的所有應用服務中扮演著重要的角色。對于視頻消息應用，典型的UII應用一般提供用戶偏好選擇、消息錄音和查詢、以及常規(guī)的郵箱管理功能。H.245提供可靠的信令協(xié)議，可以確保各種消息（如：DTMF音頻）能夠得到可靠的傳輸。H.245
UII提供用戶提示的兩級表示：字符型提示和表示字符串提示時間長短的信息。例如，特定的鍵被用戶按了多長時間。
H.223多路復用和信號分離
為了提供不同級別的容錯支持，3G-324M定義了多級H.223傳輸。在H.223多媒體多路復用協(xié)議中，其轉換層（Adaptation
Layer）提供邏輯信道的QoS，而多路復用和信號分離層（Multiplexing and Demultiplexing layer）提供多路邏輯信道到單個信道的合并。它可以同時支持分時多路復用和包多路服用兩種模式，可提供應用需要的靈活性、高效性和低延遲。
電路交換網(wǎng)絡的多媒體通訊需要多路復用技術，以支持視頻、語音和數(shù)據(jù)流量的混合同步傳輸。多路復用技術為每種媒體類型指定了一個邏輯信道，可以把不同媒體源提供的多路比特流合并成單個比特流，在單路信道上進行傳輸。
媒體類型不同，其對應的邏輯信道對QoS的要求是不一樣的。例如，對于數(shù)據(jù)傳輸來說，其對延遲的要求一般不會太嚴格，但是它要求完全無錯誤的傳輸。另外，語音傳輸對延遲有著嚴格的限制，其綜合質量可以在10-3錯誤率的基礎上實現(xiàn)。視頻通訊對傳輸?shù)囊蠼橛跀?shù)據(jù)和音頻通訊之間。因此，多路復用技術需要這么一種功能，它可以根據(jù)不同的媒體編碼需求，對邏輯信道提供不同的QoS控制。
(1)多路復用和信號分離層
Level 0 (H.223基本協(xié)議)
Level 0作為H.223的基本協(xié)議，它提供同步和比特填充支持。Level 0提供16種不同的多路復用模式，支持媒體、控制信息和數(shù)據(jù)包的混合傳輸。多路復用模式可以由通訊端點設備之間協(xié)商確定。Level
0的容錯功能非常有限。比特錯誤將可能中斷HDLC（High Level Data Link Controller）協(xié)議傳輸，并影響比特填充，把比特填充誤認為有效負載。
Level 1 (H.223附錄 A)
Level 1由H.223附錄A定義，它擁有的同步機制可以有效增強易出錯信道的傳輸性能。為了提高MUX-PDU的同步傳輸性能，在Level
0中MUX-PDU幀使用的8位HDLC同步標識符被16位PN（Pseudo Noise）序列所替代。HDLC被更穩(wěn)定的幀模式和更長的幀標識所替代。PN序列作為一組類似偽噪音的信號，它實際上是按照統(tǒng)計學隨機產(chǎn)生的一組0和1比特序列。盡管它是隨機產(chǎn)生的，接收端可以根據(jù)其特定的結構判斷該序列的下一個比特符是什么。
多路復用幀沒有采用比特填充，它采用字節(jié)為單位（8位比特結構，幀的開頭對應的是第一個字節(jié)。1字節(jié)= 8比特），并以字節(jié)為單位搜尋同步標識。
這樣， 即使在低速率和透明傳輸環(huán)境，同步標識的生成不再是確定的。但是，這顯著提高了在比特流出錯條件下對同步標識特征的檢測。
Level 2 (H.223 附錄 B)
不同的應用系統(tǒng)需要相應的運行平臺（開發(fā)/實施環(huán)境）。NMS電訊公司提供了"Video Access"應用系統(tǒng)開發(fā)平臺，可支持上述各種應用系統(tǒng)的開發(fā)。
視頻消息（視頻郵件）應用
離開辦公室或家庭在外旅行，你可以把旅途見聞拍攝下來，并把視頻圖象傳送給自己的朋友、家人和同事。使用視頻消息服務，你可以通過FOMA手機發(fā)送電子郵件給遠端的FOMA手機，還可以發(fā)送給連接在網(wǎng)絡（如：IP網(wǎng)絡）上的H.323設備。采用網(wǎng)關、視頻錄制/播放、視頻轉換等功能，我們可以搭建各種消息應用系統(tǒng)。視頻郵件應用的呼叫接入端是視頻服務器，因而視頻服務器需要配置編碼轉換功能，這樣可以在服務器內(nèi)部實現(xiàn)視頻的存儲和播放。
可視通訊/視頻會議應用
目前存在著點到點和多點視頻會議。視頻會議可以在FOMA和IP客戶端之間創(chuàng)建。FOMA用戶可以加入網(wǎng)絡會議，而過去一般只有PC機才可以加入網(wǎng)絡會議。如果你遠離家庭和辦公室，你也可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與朋友和同事的視頻通訊。
在消防隊和警察局，他們可以建立險情會議，并可以和總部共享火情、事故和犯罪現(xiàn)場等視頻信息。
在添加視頻錄制和播放功能后，視頻會議可以用于今后資料查詢。類似的，商務應用可以采用上述功能建立自己的視頻呼叫中心。視頻服務器配置了視頻混合編碼轉換后，可以支持多方視頻會議應用。
視頻流應用
視頻流應用可以把存放在流處理服務器上的視頻片段通過網(wǎng)關傳送給FOMA手機�？煊�、旅游信息、產(chǎn)品介紹、廣告甚至電影等都可以處理成視頻流向用戶傳送。這種處理比常規(guī)語音信息能夠傳遞更多可視、直觀信息。
視頻流應用還可以支持音樂會和體育等大家關注事件的現(xiàn)場直播，它通過遠程服務器向FOMA手機傳送。使用FOMA手機，您還可以在任何時間，觀看由設置在遠程任何地方監(jiān)控攝像機提供的各種事件的實時視頻流，應用領域包括：災區(qū)、旅游景點、交通、醫(yī)院、學校、重要事件等。同樣的技術可以幫助我們監(jiān)控家中的孩子和寵物。上述都是基本的單向實時應用。
使用3G-324M協(xié)議，壓縮視頻（MPEG4）、壓縮語音(AMR)和信號能夠以64 kbps的速率進行傳送。與基于包網(wǎng)絡的視頻傳輸相比，這種方法可以支持更高效的視頻和語音信息的傳送。這種服務需要一個配有編碼轉化器的視頻網(wǎng)關，對數(shù)據(jù)流提供相應的處理。
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